探地雷达方法原理及应用分析-

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1、【标题】探地雷达方法原理及应用分析【作者】伍懿【关键词】探地雷达原理分析无损检测探测深度【指导老师】贺国权【专业】应用电子技术【正文】第1章绪论探地雷达（GroundPenetrating），简称GPR,又称地质雷达）方法是一种用于确定地下介质分布的光谱（IMIIz^TGHz）电磁技术［7］。探地雷达利用发射天线发射高频宽带电磁波脉冲，接收天线接收来自地下介质的界面的反射波（见图1-1）电磁波在介质屮传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过的介质的电性性质及儿何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间（双程走时）、幅度与波形资料，可推断介质的结构和形态大小。探地雷达方法与众

2、所周知的单道反射地震法相类似，只是它所涉及的波的类型不同。探地雷达方法使用高频电磁波法，地震方法采用弹性波法，由于电磁波的频率远高于弹性波，因此探地雷达的探测分辨率要比单道反射地震法高很多。但是，由于高频电磁波在地下介质屮具有较强的电磁波衰减特性，加Z地下地质情况的多样性和复杂性，探地雷达方法的探测距离不如地震方法远。而与一般的电法探测技术相比较，探地雷达方法的优势在于它能直接识别地下目的体，不需要特别复杂的理论推演。探地雷达具有高探测分辨率和高工作效率的特点，它逐渐成为浅部地球物理勘探的一种重要手段。近年来，随着高频微电子技术、计算机数据处理方法水平和探地雷达工作方法的不断

3、提高，探地雷达技术得到了长足的进步。目前，该技术已被广泛应用于工程地质调查、工程质量检测、矿产资源勘查、水文与生态环境调查、地质灾害探测、矿井地质探测、考古和地下掩埋物的探测等众多领域。70年代越南战争期间，出现了用于探测地下坑道的宽带雷达，此后这种雷达迅速发展，在探测中浅层目标方面得到了广泛应用。如在民用方面，探地雷达被用于探测地下管道、地下电缆，及考古，公路、铁路、机场、隧道建设等方面;在军事上用于探测地雷，地下未爆炸武器等［2-5］o1.1国内外探地雷达技术的发展简史雷达源丁Radar（RadioDetectionandRanging）的音译，原意是"无线电探测与测距”

4、，即应用无线电方法发现目标并测定其位置［1］。雷达技术最早由军方研制使用，军事上用它来发现目标（如:飞机、舰艇等）并测定目标的位置和速度。随着技术和社会需求的发展，雷达技术逐渐由军用转向民用，探地雷达就是其中的一项应用分支。探地雷达原理类似于探空雷达，但是由于高频电磁波在地下介质中具有较强的电磁波衰减特性，加之地下地质悄况的多样性和复杂性，探地雷达波在地下结构的传播要复杂的多。探地雷达技术的起源于国外，最早可追溯到1904年，徳国人Hulsmeryer首先利用电磁波探测埋藏于地表的金属物体。1910年，Leimbach和Lowy在一项德国专利中提出，用埋设在一组钻孔中的偶极天

5、线探测地下相对高导电性质的区域，正式提出了探地雷达概念。他们采用一组天线阵，通过各天线接收信号的幅度判断环境屮是否有高电导率的高损耗媒质的存在，并得到了大致的图像。1926年，助lsenbeck第一个提出应用脉冲技术确定地下结构的思路。他指出，介电常数不同的介质交界面会产生电磁波反射，这一理论成为探地雷达技术工作的理论基础。I960年，CookJ.C.用脉冲雷达在矿井中作了试验。但由于地下介质比空气具有较强的电磁波衰减特性，加Z地质情况的多样性，电磁波在地下的传播要比空气屮复杂的多。因此，探地雷达的初期应用，仅限于电磁波吸收很弱的冰层、岩盐等介质川。如，1963年Evans用

6、雷达测量极地冰层的厚度。1970年，Harrison在南极的冰面上，収得Tsoo~1200米穿透深度的资料。1974年，vnterbergerR.R—探测盐矿中夹层等。随着电子技术的发展和现代数据处理技术的应用，70年代后，探地雷达的应用从冰层、盐矿等弱耗介质扩展到土层、煤层、岩层等有耗介质。探地雷达的实际应用范围迅速扩大，现己覆盖考古、矿产资源勘探、岩土勘查、无损检测及工程建筑物结构调查等众多领域[8]。1.2国内外探地雷达发展的现状到了八十年代，随着时域电磁波理论、电子技术和计算(财支术的发展，在世界上出现了研制无载频脉冲探地雷达(以后简称为探地雷达)的高潮，许多国家纷纷

7、推出了白己的商用探地雷达产品。如美国地球物理探测设备公司(GSSI)的SIR系列雷达、加拿大探头及软件公司(SSI)的PulseEKKO系列雷达、日本应用地质株式会社(0Y0)公司的GE0RADAR系列雷达等。作为实用的探测工具，探地雷达能够在以下几方面发挥有效的作用：(1)探测海冰、湖冰厚度、湖底深度和结构，探测永久性冻土冰块；(2)探测煤层厚度，块状石灰岩深度；(3)岩体屮断层、湿地破碎带、溶洞、金属矿体以及报废井孔等的探测；(4)测量土壤近似湿度及分布；(5)探测地下埋设的舒中金屈和非金屈管道、电